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收录于专栏【计算机网络】
本专栏旨在分享学习计算机网络的一点学习笔记，欢迎大家在评论区交流讨论💌
目录
1. 网络传输基本流程
1.1 局域网网络传输流程图
1.1,1 局域网(以太网为例)通信原理
1.1.2 认识MAC地址
1.1.3 数据包封装和分用
1.2 跨网络传输流程图
1.2.1 网络中的地址管理 - 认识IP地址
2. Socket编程预备
2.1 理解源IP地址和目的IP地址
2.2 认识端口号
2.2,1 端口号范围划分
2.2.2 理解"端口号" 和 "进程ID"
2.2.3 理解源端口号和目的端口号
2.2.4 理解socket
2.3 传输层的经典代表
2.3.1认识TCP协议
2.3.2 认识UDP协议
2.4 网络字节序
2.5 socket编程接口
2.5.1 socket常见API
2.5.2 sockaddr结构
2.5.3 in_addr结构
1. 网络传输基本流程
1.1 局域网网络传输流程图
1.1,1 局域网(以太网为例)通信原理
• 首先回答，两台主机在同一个局域网，是否能够直接通信？是的
• 每台主机在局域网上，要有唯一的标识来保证主机的唯一性：mac 地址
1.1.2 认识MAC地址
• MAC 地址用来识别数据链路层中相连的节点;
• 长度为 48 位, 及 6 个字节. 一般用 16 进制数字加上冒号的形式来表示(例如: 08:00:27:03:fb:19)
• 在网卡出厂时就确定了, 不能修改. mac 地址通常是唯一的(虚拟机中的mac 地址不是真实的 mac 地址, 可能会冲突; 也有些网卡支持用户配置mac 地址).
• 以太网中，任何时刻，只允许一台机器向网络中发送数据
• 如果有多台同时发送，会发生数据干扰，我们称之为数据碰撞
• 所有发送数据的主机要进行碰撞检测和碰撞避免
• 没有交换机的情况下，一个以太网就是一个碰撞域
• 局域网通信的过程中，主机对收到的报文确认是否是发给自己的，是通过目标mac 地址判定
• 这里可以试着从系统角度来理解局域网通信原理
初步明白了局域网通信的原理, 再来看同一个网段内的两台主句进行发送消息的过程:
而其中每层都有协议，所以当我进行进行上述传输流程的时候，要进行封装和解包
数据在网络中发送的时候, 一定最终要在硬件上跑!
下面我们明确一下概念:
• 报头部分，就是对应协议层的结构体字段，我们一般叫做报头
• 除了报头，剩下的叫做有效载荷
• 故，报文 = 报头 + 有效载荷
然后，我们在明确一下不同层的完整报文的叫法:
• 不同的协议层对数据包有不同的称谓,在传输层叫做段(segment),在网络层叫做数据报 (datagram),在链路层叫做帧(frame).
• 应用层数据通过协议栈发到网络上时,每层协议都要加上一个数据首部(header),称为封装(Encapsulation).
• 首部信息中包含了一些类似于首部有多长, 载荷(payload)有多长, 上层协议是什么等信息.
• 数据封装成帧后发到传输介质上,到达目的主机后每层协议再剥掉相应的首部, 根据首部中的 "上层协议字段" 将数据交给对应的上层协议处理
网络协议的共性:
1. 报头和有效载荷分离的问题 --- 解包
2. 除了应用层, 每一层协议, 都必须解决一个问题, 自己的有效载荷, 应该上交上层的哪一个协议 !! --- 分用
最后，在整体复盘一下：
两台据算计通过TCP/IP协议通讯的过程如下所示:
在网络传输的过程中，数据不是直接发送给对方主机的，而是先要自定向下将数据交付给下层协议，最后由底层发送，然后由对方主机的底层来进行接受，在自底向上进行向上交付，上面是一张示意图。
1.1.3 数据包封装和分用
下图为数据封装的过程:
下图为数据分用的过程:
1.2 跨网络传输流程图
1.2.1 网络中的地址管理 - 认识IP地址
IP 协议有两个版本, IPv4 和 IPv6. 我们整个的课程, 凡是提到 IP 协议, 没有特殊说明的, 默认都是指 IPv4
• IP 地址是在 IP 协议中, 用来标识网络中不同主机的地址;
• 对于 IPv4 来说, IP 地址是一个 4 字节, 32 位的整数;
• 我们通常也使用 "点分十进制" 的字符串表示 IP 地址, 例如192.168.0.1 ; 用点分割的每一个数字表示一个字节, 范围是 0 - 255;
跨网段的主机的数据传输. 数据从一台计算机到另一台计算机传输过程中要经过一个或多个路由器.
下面是一张示意图
首先理解一下 IP 地址的意义:
• 为什么要去目标主机，先要走路由器？
网络连接的分段：
网络通常由多个子网组成。路由器的作用是连接不同的网络，允许数据在这些网络之间传递。源主机和目标主机可能位于不同的子网或网络中，因此需要通过路由器进行数据转发。
路由选择：
路由器根据路由表决定如何转发数据包。路由表包含了网络中各种IP地址的路径信息。通过这些信息，路由器能够选择最优路径，将数据包发送到目标主机。
地址转换：
在一些情况下，路由器还负责进行地址转换（如NAT - 网络地址转换），将私有IP地址转换为公共IP地址，或者反之。这使得内网设备能够访问外部网络。
流量管理与安全：
路由器可以执行流量管理、访问控制和安全策略，确保网络的正常运行和安全性。例如，防火墙功能可以阻止未授权的访问。
• 目的 IP 的意义
标识目标主机：
目的IP地址是数据包的目标地址，指向网络中某个特定的主机或设备。通过目的IP，网络能够知道数据包应该送到哪里。
路由决策：
路由器根据目的IP地址来决定数据包的转发路径。每个路由器在接收到数据包时，会检查数据包中的目的IP，并在其路由表中查找相应的路径，以决定将数据包发送到哪个接口。
实现分组交换：
在分组交换网络中，数据被分成多个小包。每个数据包都包含目的IP地址，允许它们通过不同的路径到达目标主机。这种方式提高了网络的效率和可靠性。
网络层协议的核心：
在OSI模型中，目的IP是网络层（第三层）协议（如IP协议）的关键组成部分。它使得不同网络间的通信成为可能。
然后结合封装与解包，体现路由器解包和重新封装的特点
网络层(就是IP层) 向上 (包括网络层) 看到的所有的报文都是一样的, 都至少是IP报文, IP可以屏蔽底层网络的差异!
所有的网络都是IP网络~~
对比 IP 地址和 Mac 地址的区别:
• IP 地址在整个路由过程中，一直不变(目前，我们只能这样说明，后面在修正)
• Mac 地址一直在变
• 目的 IP 是一种长远目标，Mac 是下一阶段目标，目的 IP 是路径选择的重要依据，mac 地址是局域网转发的重要依据
总结 : IP : 最终目标 Mac : 下一个目标
提炼 IP 网络的意义和网络通信的宏观流程:
IP 网络层存在的意义：提供网络虚拟层，让世界的所有网络都是IP 网络，屏蔽最底层网络的差异
2. Socket编程预备
2.1 理解源IP地址和目的IP地址
• IP 在网络中，用来标识主机的唯一性
• 注意：后面我们会讲 IP 的分类，后面会详细阐述 IP 的特点
但是这里要思考一个问题：数据传输到主机是目的吗？不是的。因为数据是给人用的。比如：聊天是人在聊天，下载是人在下载，浏览网页是人在浏览？
但是人是怎么看到聊天信息的呢？怎么执行下载任务呢？怎么浏览网页信息呢？通过启动的 qq，迅雷，浏览器。
而启动的 qq，迅雷，浏览器都是进程。换句话说，进程是人在系统中的代表，只要把数据给进程，人就相当于就拿到了数据。
所以：数据传输到主机不是目的，而是手段。到达主机内部，在交给主机内的进程，才是目的。
但是系统中，同时会存在非常多的进程，当数据到达目标主机之后，怎么转发给目标进程？这就要在网络的背景下，在系统中，标识主机的唯一性。
2.2 认识端口号
端口号(port)是传输层协议的内容.
• 端口号是一个 2 字节 16 位的整数;
• 端口号用来标识一个进程, 告诉操作系统, 当前的这个数据要交给哪一个进程来处理;
• IP 地址 + 端口号能够标识网络上的某一台主机的某一个进程;
• 一个端口号只能被一个进程占用
数据报文到达目标主句, 然后要继续交付给对应的进程
通过端口号进行转发给指定的进程, 换句话说. 我们未来写代码的时候, 进程就一定要和指定的port进行关联
2.2,1 端口号范围划分
• 0 - 1023: 知名端口号, HTTP, FTP, SSH 等这些广为使用的应用层协议, 他们的端口号都是固定的. • 1024 - 65535: 操作系统动态分配的端口号. 客户端程序的端口号, 就是由操作系统从这个范围分配的.
2.2.2 理解"端口号" 和 "进程ID"
我们之前在学习系统编程的时候, 学习了 pid 表示唯一一个进程; 此处我们的端口号也是唯一表示一个进程. 那么这两者之间是怎样的关系?
另外, 一个进程可以绑定多个端口号; 但是一个端口号不能被多个进程绑定;
• 进程 ID 属于系统概念，技术上也具有唯一性，确实可以用来标识唯一的一个进程，但是这样做，会让系统进程管理和网络强耦合，实际设计的时候，并没有选择这样做。
2.2.3 理解源端口号和目的端口号
传输层协议(TCP 和 UDP)的数据段中有两个端口号, 分别叫做源端口号和目的端口号. 就是在描述 "数据是谁发的, 要发给谁"
2.2.4 理解socket
• 综上，IP 地址用来标识互联网中唯一的一台主机，port 用来标识该主机上唯一的一个网络进程
• IP+Port 就能表示互联网中唯一的一个进程
• 所以，通信的时候，本质是两个互联网进程代表人来进行通信，{srcIp，srcPort，dstIp，dstPort}这样的 4 元组就能标识互联网中唯二的两个进程
• 所以，网络通信的本质，也是进程间通信
• 我们把 ip+port 叫做套接字 socket
C++
socket
n.
(电源)插座；(电器上的)插口，插孔，管座；槽；窝；托座；臼；孔穴vt. 把…装入插座；给…配插座2.3 传输层的经典代表
• 如果我们了解了系统，也了解了网络协议栈，我们就会清楚，传输层是属于内核的，那么我们要通过网络协议栈进行通信，必定调用的是传输层提供的系统调用，来进行的网络通信。
2.3.1认识TCP协议
此处我们先对 TCP(Transmission Control Protocol 传输控制协议)有一个直观的认识; 后面我们再详细讨论 TCP 的一些细节问题.
• 传输层协议
• 有连接
• 可靠传输
• 面向字节流
2.3.2 认识UDP协议
此处我们也是对 UDP(User Datagram Protocol 用户数据报协议)有一个直观的认识; 后面再详细讨论
• 传输层协议
• 无连接
• 不可靠传输
• 面向数据报
此处只做了解. 后面在具体详细讲解~~
2.4 网络字节序
我们已经知道,内存中的多字节数据相对于内存地址有大端和小端之分, 磁盘文件中的多字节数据相对于文件中的偏移地址也有大端小端之分, 网络数据流同样有大端小端之分. 那么如何定义网络数据流的地址呢?
• 发送主机通常将发送缓冲区中的数据按内存地址从低到高的顺序发出;
• 接收主机把从网络上接到的字节依次保存在接收缓冲区中,也是按内存地址从低到高的顺序保存;
• 因此,网络数据流的地址应这样规定:先发出的数据是低地址,后发出的数据是高地址.
• TCP/IP 协议规定,网络数据流应采用大端字节序,即低地址高字节.
• 不管这台主机是大端机还是小端机, 都会按照这个 TCP/IP 规定的网络字节序来发送/接收数据;
• 如果当前发送主机是小端, 就需要先将数据转成大端; 否则就忽略, 直接发送即可;
速记口诀:
大大 小小 是小端
大小 是大端
为使网络程序具有可移植性,使同样的 C 代码在大端和小端计算机上编译后都能正常运行,可以调用以下库函数做网络字节序和主机字节序的转换。
#include <arpa/inet.h>uint32_t htonl(uint32_t hostlong);
uint16_t htons(uint16_t hostshort);
uint32_t ntohl(uint32_t netlong);
uint16_t ntohs(uint16_t netshort);• 这些函数名很好记,h 表示 host,n 表示 network,l 表示 32 位长整数,s 表示16 位短整数。
• 例如 htonl 表示将 32 位的长整数从主机字节序转换为网络字节序,例如将IP地址转换后准备发送。
• 如果主机是小端字节序,这些函数将参数做相应的大小端转换然后返回;
• 如果主机是大端字节序,这些函数不做转换,将参数原封不动地返回。
2.5 socket编程接口
2.5.1 socket常见API
C
// 创建 socket 文件描述符 (TCP/UDP, 客户端 + 服务器)
int socket(int domain, int type, int protocol);
// 绑定端口号 (TCP/UDP, 服务器)
int bind(int socket, const struct sockaddr *address,
socklen_t address_len);
// 开始监听 socket (TCP, 服务器)
int listen(int socket, int backlog);
// 接收请求 (TCP, 服务器)
int accept(int socket, struct sockaddr* address,
socklen_t* address_len);
// 建立连接 (TCP, 客户端)
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr,
socklen_t addrlen);2.5.2 sockaddr结构
socket API 是一层抽象的网络编程接口,适用于各种底层网络协议,如IPv4、IPv6,以及后面要讲的 UNIX Domain Socket. 然而, 各种网络协议的地址格式并不相同.
• IPv4 和 IPv6 的地址格式定义在 netinet/in.h 中,IPv4 地址用sockaddr_in 结构体表示,包括 16 位地址类型, 16 位端口号和 32 位 IP 地址.
• IPv4、IPv6 地址类型分别定义为常数 AF_INET、AF_INET6. 这样,只要取得某种 sockaddr 结构体的首地址,不需要知道具体是哪种类型的 sockaddr 结构体,就可以根据地址类型字段确定结构体中的内容.
• socket API 可以都用 struct sockaddr *类型表示, 在使用的时候需要强制转化成sockaddr_in; 这样的好处是程序的通用性, 可以接收 IPv4, IPv6, 以及UNIX DomainSocket 各种类型的 sockaddr 结构体指针做为参数;
sockaddr 结构
sockaddr_in 结构
虽然 socket api 的接口是 sockaddr, 但是我们真正在基于 IPv4 编程时, 使用的数据结构是 sockaddr_in; 这个结构里主要有三部分信息: 地址类型, 端口号, IP 地址
2.5.3 in_addr结构
in_addr 用来表示一个 IPv4 的 IP 地址. 其实就是一个 32 位的整数;